一种核主泵屏蔽电机隔热装置及其工作方法

1.本发明涉及核电站领域，具体涉及一种核主泵屏蔽电机隔热装置及其工作方法。


背景技术：

2.在核电站装备中,屏蔽电机和泵一起组成核主泵，而核主泵屏蔽电机又是核电站最重要的设备之一，它是核岛一次回路中唯一一个动力循环的装置，用于带动核主泵中放射性、高温高压冷却剂在泵内不断循环流动，克服核主泵冷却剂在电站主管路中的沿程阻力，把核电站反应堆中的热量不断传导给蒸汽发生器中。从容量的含义上看，它不过是一个辅助设备，但事实上，核主泵的可靠性直接影响到核反应堆的安全运行，的确应把它看成是核电站的心脏。
3.对于屏蔽电机而言，一般通过内外部冷却回路设计以降低各个部件的温度。水作为核主泵屏蔽电机的冷却介质，对电机内各部件温度场变化有很大的影响。由于核主泵冷却剂的温度相较于屏蔽电机内部的温度场来说非常高，可达到350℃。当冷却剂通过核主泵内流道时，会以导热、热对流方式将热量依次向上传递给上部屏蔽电机的下方与之相连接的部件，使屏蔽电机在热备用等状态时的绕组及其绝缘、轴承处润滑水温、转动轴、机壳等部位温度升高，严重的会造成电机绝缘超过许用温度、润滑水超过报警温度，同时，位于泵壳和定子封头间，且与转轴相连的飞轮则要求一次润滑水温度适当高些，温度过低会导致一次水的粘性较大，摩擦损耗较大。目前，为解决上述物理矛盾，保证核主泵屏蔽电机系统的长期安全可靠运行，有的将长颈颈缩件放置于飞轮与电机之间，主要起到减小振动和部分隔热作用，因为在温差的作用下，热量将经颈部然后依然向上部电机定子端腔传导，造成定子绕组散热不利；有的在飞轮下方，导叶中布置隔热空气腔，并在腔上方焊接盖板，此处空气虽然热导率较低导热效果差，但是该处热面在下冷面在上，空气腔高度没有限定，内部空气上下环流引起自然对流换热较强，并且紧邻冷却剂的导叶腔壁面温度较高与盖板间辐射热交换强烈；有的选择金属钼板作为阻热材料来减少导热量，但是金属钼板造价高昂，不适宜大规模使用。有的通过提高结构强度、减少隔热屏本体厚度、减少接触面积进而提高隔热效果，但热量仍然能通过隔热屏周围部分向电机端传递，造成定子绕组温度过高，进而影响其寿命和热安全。因此，有必要对核主泵屏蔽电机与下方含有冷却剂的泵之间的连接部分，进行深入的隔热方法及装置改善设计，为核主泵屏蔽电机长期热安全稳定的运行提供有效依据。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种核主泵屏蔽电机隔热装置及其工作方法。
5.本发明的具体内容如下：
6.一种核主泵屏蔽电机隔热装置，包括定转子间隙3、下导轴承4、定子封头5、定子封头环6、电机法兰7、换热器8、飞轮9、导叶10、泵壳11、螺栓12，其特征在于：所述的下导轴承4
内部开有八个l型孔道4-1，沿轴向方向均匀分布，八个l型孔道与定转子间隙3相连通；所述的定子封头5位于飞轮9、定子封头环6的上方，位于下导轴承4下方，定子封头内部开有八个直角孔道5-1，与所述的下导轴承内部l型孔道4-1一一对应相互连通；所述的定子封头环6位于定子封头5和电机法兰7下方，位于飞轮9外侧、导叶10和泵壳11上方；定子封头环6由内环形水槽6-1、八个竖直开孔6-2、外环形水槽6-3、八个水平径向孔道6-4、空气隔热腔6-5、隔热垫6-6组成，在定子封头环6外围均匀分布24个螺纹孔，通过螺纹孔使用螺栓12将电机法兰7、定子封头环6、泵壳11三者固定；所述的电机法兰7内部开有四个竖直圆柱形孔道7-1，孔道下端正对定子封头环6与电机法兰7对接后形成的外环形水槽6-3，孔道上端进入换热器8中。
7.进一步的，所述导叶10顶部有一阶梯型空气隔热屏13，阶梯型空气隔热屏13包括层间金属盖板13-1、空气隔热腔13-2，空气隔热腔为多层阶梯式结构。
8.进一步的，导叶10顶部的阶梯型空气隔热屏13的层间金属盖板13-1上下表面均采用电镀镍薄层，降低辐射表面发射率的同时减少反射率；阶梯型空气隔热屏13采用阶梯型、多层串联窄间隙空气隔热腔结构，空气隔热腔大小由下到上递增。
9.进一步的，冷却水通过电机主轴1上部的轴心孔进入辅叶轮径向孔2-1，在辅叶轮2的推动下冷却水经过定转子间隙3进入下导轴承4，通过下导轴承4内部l型孔道4-1冷却水进入定子封头内部直角孔道5-1，在冷却水流入内环形水槽6-1、竖直开孔6-2、外环形水槽6-3、水平径向孔道6-4后通过电机法兰7内部竖直圆柱形孔道7-1进入换热器8冷却降温，降温后的水再次进入电机主轴1上部的轴心孔，形成循环回路。
10.本发明提供了一种核主泵屏蔽电机隔热装置及其工作方法。具备以下有益效果：
11.1.电机主轴轴心孔、辅叶轮、定转子间隙、水导轴承内的l型孔道、定子封头内的直角孔道、竖直开孔、定子封头环内的内环形水槽、水平径向孔道、外环形水槽、电机法兰内部的竖直圆形孔隙、换热器共同组成了水路系统。通过网状的冷却水的对流吸热，减少导叶内部冷却剂经封头环向电机下部定子封头部分的传热量，避免对电机重要部件绕组产生影响；同时，不影响飞轮的水温，保障飞轮工作在适当的水润滑温度条件下，避免较大的摩擦损耗。
12.2.定子封头环与导叶交界面内部的空气隔热腔和隔热垫与导叶顶部的阶梯型隔热屏协同工作，两者错开一定距离，借助空气的低导热率减少高温冷却剂通过导热的方式向电机部分传递的热量。同时阶梯型隔热屏内部的隔热腔最大高度不得超过20mm，以减少对流传递的热量。导叶中的阶梯型空气隔热屏的层间金属盖板上下表面均采用电镀镍薄层，降低辐射表面发射率，同时，减少反射率，用以减少由导叶向电机定子封头环部分的辐射传热量。
13.3.定子封头环的沿径向外凸与泵壳通过螺栓连接的构造可增加定子封头环的径向散热量；螺栓底部螺纹孔内布置有隔热垫，防止螺栓底部与泵壳直接接触以减少泵壳通过导热的方式向电机法兰部分传递的热量，螺栓顶部超出电机法兰一定高度以增加螺栓的自然对流散热量，减小向电机法兰的传热量。
附图说明
14.图1为本发明结构总体示意图；
15.图2为本发明中定转子间隙放大图；
16.图3为本发明中定子封头及其相邻部件的局部剖视图；
17.图4为本发明中定子封头环的俯视图；
18.图5为本发明中导叶顶部阶梯型空气隔热屏局部剖视图；
19.图6为本发明中辅叶轮的俯视图；
20.图7为本发明中辅叶轮的局部剖视图。
21.图中：1、电机主轴；2、辅叶轮；3、定转子间隙；4、下导轴承；5、定子封头；6、定子封头环；7、电机法兰；8、换热器；9、飞轮；10、导叶；11、泵壳；12、螺栓；13、阶梯型隔热屏；14、螺钉；2-1、辅叶轮径向孔；4-1、l型孔道；5-1、直角孔道；6-1、内环形水槽；6-2、竖直开孔；6-3、外环形水槽；6-4、水平径向孔道；6-5、定子封头环内的空气隔热腔；6-6、隔热垫；7-1、竖直圆柱形孔道；11-1、螺纹孔内隔热垫；13-1、层间金属盖板；13-2、阶梯型空气隔热屏的空气隔热腔。
具体实施方式
22.为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明专利，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明专利的范围，此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明专利的概念。
23.实施例：如图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种核主泵屏蔽电机隔热装置及其工作方法，它包括：电机主轴1、辅叶轮2、定转子间隙3、下导轴承4、定子封头5、定子封头环6、电机法兰7、换热器8、飞轮9、导叶10、泵壳11、螺栓12。其特征是：辅叶轮2固定在电机主轴1上，通过电机主轴1上部的轴心孔和辅叶轮2旋转吸入一次冷却水，并沿辅叶轮径向孔2-1将其甩出，甩出的冷却水压力升高，能够克服一次水封闭循环的流动阻力，甩出的冷却水一部分沿定转子间隙3向下流动，一边流动一边吸热，流至下导轴承4处，起到润滑下导轴承4的作用，下导轴承4位于飞轮9上方、与电机主轴1紧密接触，下导轴承4和定子封头5通过螺钉14相连，定子封头5和定子封头环6通过螺钉14相连，定子封头环6底部与导叶10通过螺钉14相连，电机法兰7通过螺栓12与定子封头环6、泵壳11固定。下导轴承4内部开有八个l型孔道4-1，沿周向方向均匀分布，每个l型孔道间隔45
°
，所述八个l型孔道与定转子间隙3相连通。定子封头5位于飞轮9、定子封头环6的上方，径向紧邻下导轴承4，属于固定部件，定子封头内部开有八个间隔为45
°
的直角孔道5-1，与所述的下导轴承内部l型孔道4-1一一对应相互连通，使一次水通过。定子封头环6位于定子封头5和电机法兰7下方，位于飞轮9外侧、导叶10和泵壳11上方，定子封头环6上部由内环形水槽6-1、八个相互间隔为45
°
的位于内环形水槽顶部的竖直开孔6-2、外环形水槽6-3、八个相互间隔为45
°
的连接内外环形水槽的水平径向孔道6-4组成隔热的水网络结构，定子封头环6下部由空气隔热腔6-5、隔热垫6-6组成，在定子封头环6外围半径较大处，均匀分布的间隔为15
°
的二十四个螺纹孔组成。定子封头环6通过螺纹孔使用螺栓12与电机法兰7和定子封头环6下方的冷却剂泵泵壳11固定。电机法兰7内部开有四个间隔为90
°
的竖直圆柱形孔道7-1，孔道下端正对定子封头环6与电机法兰7对接后形成的封闭外环形水槽6-3，一
次水经电机法兰7的竖直圆柱形孔道7-1，进入换热器8的四根换热管中。螺栓12共有二十四个，相互间隔为15
°
，螺栓12上连电机法兰7，下连泵壳11，螺栓12插入泵壳11不得超过泵壳11高度的1/2，螺栓12顶部超出电机法兰7高度不得小于螺栓12总长度的1/6，螺栓12底部螺纹孔内布置有隔热垫11-1，防止螺栓12底部与泵壳11直接接触。导叶10顶部布置一阶梯型空气隔热屏13，阶梯型空气隔热屏13包括上下表面电镀镍的层间金属盖板13-1、空气隔热腔13-2，空气隔热腔为多层阶梯式结构，最小腔体不得小于导叶10半径的1/2，最大腔体不得超过导叶10半径的9/10，定子封头环6内部的空气隔热腔6-5内表面、导叶10顶部的阶梯型空气隔热屏13的层间金属盖板13-1上下表面采用电镀镍薄层，进行表面改性，降低表面发射率，同时，光洁镍表面反射率也较大，用以减少由空气隔热腔内高温壁面向电机部分的辐射传热量；阶梯型空气隔热屏13采用阶梯型、多层串联窄间隙空气隔热腔，替代传统的空气隔热腔，大空间变成小空间，自然对流传热减弱，可以减少由空气对流引发的向上不电机向的热量传递，并通过多层隔热垫来进一步减少传热量，每层空气腔高度不得超过20mm，具体实施时，空气隔热腔的层数视实际情况决定。螺栓12插入泵壳11不得超过泵壳11高度的1/2，螺栓12底部螺纹孔内布置有隔热垫11-1，螺栓12顶部超出电机法兰7高度，且不得小于螺栓12总长度的1/6，以增加螺栓12的自然对流散热量。
24.冷却水通过电机主轴1上部的轴心孔进入辅叶轮径向孔2-1，在辅叶轮2及主轴1旋转生成的正压力推动下，冷却水经过定转子间隙3进入下导轴承4，通过下导轴承4内部l型孔道4-1冷却水进入定子封头内部直角孔道5-1，在冷却水流入竖直开孔6-2、内环形水槽6-1、水平径向孔道6-4、外环形水槽6-3后，通过电机法兰7内部竖直圆柱形孔道7-1进入换热器8中被冷却降温。通过定子封头环6中的内外两个网装的环形水路对流吸热，并带走热量，阻隔导叶10内部高温冷却剂通过导热的方式传递到电机定子封头环6顶部的热量，从而减少向定子封头5的热量传递。
25.当屏蔽电机工作时，位于定子封头环6底部与导叶10交界面内部的空气隔热腔6-5，以及位于导叶10顶部的阶梯型空气隔热屏13内充满空气，根据热阻叠加原理，利用空气热导率低于金属热导率的特性，采用自然对流较小的窄缝空气腔来增加整体热阻值，即阶梯型空气隔热屏13的每层空气腔高度限制在20mm以内，可以防止由于空气腔竖直壁面较大而产生较强的的封闭腔对流传热，从而减少由导叶10内部高温冷却剂向电机封头环部分的传递的传热量；定子封头环6的沿径向外凸与泵壳11通过螺栓12连接的构造，增大了定子封头环6与空气的接触面积，进一步增加定子封头环6的径向散热量；隔热垫11-1用于阻止螺栓12底部与泵壳11的直接接触，以减少泵壳11通过导热的方式向电机部分传递的热量，螺栓12顶部超出电机法兰7一定高度增加与空气的接触面积，以增加螺栓12向环境的自然对流散热量。
26.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。